Laborator - ADALM2000: Etajul de intrare al amplificatorului transrezistență

Obiectiv

Obiectivul acestei activități de laborator este de a investiga configurații simple ale etajului de intrare al amplificatorului transrezistență.

Background

Un amplificator transrezistență generează o tensiune proporțională cu curentul său de intrare. Adesea, producătorii de semiconductoare se referă la amplificatorul transrezistență ca fiind un amplificator transimpedanță. Descrierea generală pentru un amplificator transrezistență într-un circuit este o sursă de tensiune controlată în curent (CCVS – current controlled voltage source).

Un amplificator transrezistență inversor poate fi realizat dintr-un amplificator operațional convențional și un singur rezistor. Rezistorul este conectat între ieșirea și intrarea inversoare a amplificatorului operațional, iar intrarea neinversoare este conectată la masă. Tensiunea de ieșire va fi atunci proporțională cu curentul de intrare aplicat pe intrarea inversoare, scăzând odată cu creșterea curentului de intrare și invers.

Activitatea din acest exercițiu de laborator investighează o structură alternativă de intrare diferențială, care produce o impedanță de intrare inerent scăzută (o intrare de curent). Un amplificator transrezistență complet poate necesita adăugarea mai multor etaje de amplificare și a unui etaj de comandă de ieșire.

Materiale

ADALM2000 Active Learning Module ((Modul de învățare activă))
n.red.: Modulul de învățare activă ADALM2000 (M2K) este un instrument accesibil, “definit de software”, alimentat prin USB și, care extinde capabilitățile modulului de învățare activă ADALM1000 (M1K) la nivelul următor. Cu ADC-uri și DAC-uri pe 12-biți care rulează la 100 MSPS, M2K pune la îndemâna oricui puterea unui echipament de laborator de înaltă performanță, permițând studenților în inginerie electrică și pasionaților să exploreze semnale și sisteme de zeci de MHz fără costurile asociate cu echipamentul de laborator tradițional. M2K funcționează cu software-ul de aplicație grafică “Scopy” de la Analog Devices, care rulează pe un computer, oferind utilizatorului numeroase opțiuni de instrumentație de înaltă performanță. Kitul de componente, ADALP2000, pentru construirea de circuite este disponibil împreună cu M2K.
Caracteristici
– Portabil
– Osciloscop USB cu 2 canale
– Generator de funcții cu 2 canale
– Analizor logic digital cu 16 canale
– Generator de modele cu 16 canale
– I/O digital virtual cu 16 canale
– Voltmetru cu un singur canal (AC, DC, ±20 V)
– Analizor de rețea: Bode, Nyquist, Nichols
– Analizor de spectru
– Interfețe de analiză a magistralei digitale: SPI, I²C, UART, paralelă
– Două surse de alimentare programabile (0…+5 V, 0…-5 V)

Figura 1: Etajul de intrare al unui amplificator transrezistență cu comandă în curent.

(https://wiki.analog.com/university/tools/m2k/scopy/oscilloscope#using_built-in_signal_measurement_features)

Placă de conexiuni (fără lipire)
Fire de legătură
Trei rezistoare de 1 kΩ
Două rezistoare de 2.2 kΩ
Un rezistor de 47 kΩ
Două condensatoare de 10 μF
Două tranzistoare NPN (2N3904 sau SSM2212)
Două tranzistoare PNP (2N3906 sau SSM2220)

Indicații

Figura 2: Etajul de intrare al amplificatorului transrezistență cu comandă în curent dispus pe un circuit breadboard.

Circuitul și conexiunile la ADALM2000 sunt prezentate în figura 1. Tranzistoarele NPN Q1 și Q2, precum și tranzistoarele PNP Q3 și Q4, trebuie selectate dintre dispozitivele disponibile cu cea mai bună potrivire VBE. Tranzistoarele fabricate în aceeași capsulă, cum ar fi SSM2212, SM2220 sau CA3046, tind să se potrivească mult mai bine decât dispozitivele individuale. Intrarea 1+ a osciloscopului poate fi conectată opțional la joncțiunea emitorilor tranzistoarelor Q1 și Q3 sau la colectorii Q1 sau Q3 în timpul investigării funcționării acestui circuit. Nodul de intrare de curent de la joncțiunea emitorilor lui Q1 și Q3 este – nominal – de joasă impedanță, astfel încât poate fi comandat de la o sursă de curent. Ieșirile AWG ale modulului ADALM2000 sunt mai mult ca niște surse de tensiune. Astfel, rezistorul R_IN de 1 kΩ servește la convertirea tensiunii de ieșire a AWG1 într-un curent (I_IN = V_IN/1 kΩ).

Figura 3: Formele de undă ale etajului de intrare al amplificatorului transrezistență cu comandă în curent.

Configurare Hardware

Primul generator de forme de undă, W1, trebuie configurat pentru o undă sinusoidală de 1 kHz cu o amplitudine de 800 mV vârf la vârf și 0 offset. Canalul 1 al osciloscopului trebuie conectat pentru a afișa ieșirea primului generator, iar canalul 2 trebuie setat pentru a afișa semnalul de ieșire la 40 mV per diviziune.

Procedură

Configurați osciloscopul astfel încât să capteze mai multe perioade ale celor două semnale măsurate. În figura 3 este prezentat un exemplu de trasare folosind LTspice®.

Figura 4: Perechea diferențială cu comandă în tensiune.

Observați ieșirea pe R_L, care este suma semnalelor (cuplate AC) provenite de la colectorii lui Q1 și Q3. Măsurați câștigul de tensiune de la ieșirea AWG1 până la R_L și comparați-l cu valoarea calculată. Observați amplitudinea tensiunii semnalului detectat la nodul de intrare de curent (1+), unde sunt conectați emitorii lui Q1 și Q3. Pe baza amplitudinii, calculați amplitudinea curentului de intrare (tensiunea pe R_IN împărțită la R_IN) și rezistența efectivă de intrare a amplificatorului. Comparați aceste valori cu valorile pe care le-ați calculat.

Configurarea pentru comanda în tensiune

Materiale suplimentare

Un rezistor de 470 Ω

Indicații

Figura 5: Etajul de intrare al amplificatorului transrezistență cu comandă în tensiune dispus pe un circuit breadboard.

Acum urmează să reconfigurăm intrarea pentru comanda în tensiune. Înlocuiți R_IN cu un rezistor de 470 Ω și conectați la masă celălalt capăt, așa cum se arată în figura 4. Deconectați emitorii lui Q2 și Q4 de la masă și conectați-i la ieșirea lui AWG1.

Configurația Hardware

Procedură

Configurați osciloscopul pentru a capta mai multe perioade ale celor două semnale care se măsoară. Un exemplu de trasare folosind LTspice este prezentat în figura 6.

Figura 6: Formele de undă ale etajului de intrare al amplificatorului transrezistență cu comandă în tensiune.

Pentru a măsura curentul necesar de la driverul de intrare (W1) în această configurație de comandă în tensiune, adăugați rezistorul de 1 kΩ în serie cu AWG1 (și emitorii lui Q2 și Q4). Conectați intrările diferențiale ale osciloscopului (Channel 1): 1+, 1- pe rezistorul de 1 kΩ. Observați această tensiune și calculați curentul pe măsură ce AWG1 fluctuează peste oscilația de ±400 mV.

Întrebări:

Numiți caracteristica principală care definește un amplificator transrezistență.
Puteți identifica aplicații care utilizează acest tip de circuit? Puteți găsi răspunsurile pe blogul StudentZone

Despre autori:

Doug Mercer a primit diploma de licență în domeniul electronicii de la Rensselaer Polytechnic Institute (RPI) în 1977. De când s-a alăturat companiei Analog Devices în 1977, a contribuit direct sau indirect la peste 30 de convertoare de date și deține 13 brevete. A primit titlul de ADI Fellow în 1995. În 2009, a renunțat la munca cu normă întreagă și a continuat să ofere consultanță la ADI în calitate de Fellow Emeritus, contribuind la Programul de învățare activă. În 2016 a fost numit inginer rezident în cadrul departamentului ECSE de la RPI. Poate fi contactat la adresa: doug.mercer@analog.com.

Antoniu Miclăuș este inginer de aplicații de sistem la Analog Devices, unde lucrează la programele academice ADI, precum și la software embedded pentru Circuits from the Lab®, automatizare QA și managementul proceselor. A început să lucreze la Analog Devices în februarie 2017 la Cluj-Napoca, România. În prezent, este student la programul de masterat în inginerie software la Universitatea Babeș-Bolyai și are o diplomă de inginer în electronică și telecomunicații de la Universitatea Tehnică din Cluj-Napoca. El poate fi contactat la adresa: antoniu.miclaus@analog.com.